ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIK] ŚLĄSKIEJ Sena: TRANSPORT z. 28
1996 Nr kol. 1310
Piotr ADAMIEC Daniel KUC
N A P A W A N IE C ZĘŚC I R O Z JA ZD Ó W TO R Ó W K O L EJO W Y C H
Streszczenie. Przedstawiono problemy występujące przy napawaniu części rozjazdów torów kolejowych. Zestawiono materiały dodatkowe umożliwiające uzyskanie napoin nisko- i wysokostopowych oraz podano przykłady napawania części rozjazdów przez firmę ESAB.
SURFACING B Y WELDING OF RAILWAY CROSSINGS
Sum m ary. The problem of hardsurfacing of worn out parts of railway switches and especially crossings, has been presented. Characteristic of low- and highalloy welding consumables for hardsurfacing of railway crossings has been given as well as examples of hardsurfacing according to the Esab Company.
1. W p row adzenie
Części rozjazdów torów kolejowych, a w szczególności krzyżownice składające się z dziobnicy, iglicy i szyn skrzydłowych należą do nabardziej zużywających się elementów nawierzchni kolejowej [1], Zużycie to jest wynikiem dużych nacisków, często o charakterze dynamicznym, którym towarzyszą dodatkowo duże poślizgi.
Ubytki geometryczne nie przekraczają 5 mm, co przy zapewnionej wytrzymałości zmęczeniowej rdzenia krzyżownic stanowi o technicznej celowości ich regeneracji. Koszt regeneracji metodami spawalniczymi nie przekracza 20-30% ceny nowej krzyżownicy.
Krzyżownice są wykonywane ze stali szynowej o strukturze perlitycznej lub staliwa Hadfielda o strukturze austenitycznej. Wykresy CTP dla tych tworzyw przedstawiono na rys.l, 2 [2], Analiza wykresów wskazuje, że przy napawaniu krzyżownic ze stali szynowej podstawowym problemem spawalności jest kruchość w strefie wpływu ciepła (SWC), związana z dużymi twardościami w wyniku przemiany martenzytycznej. Kruchość ta połączona z możliwością obecności wodoru w wyniku procesów metalurgicznych może powodować pękanie zimne napawanych elementów rozjazdów. Trudności te warunkują
zalecania technologiczne: stosowania miejscowego wstępnego podgrzania (ok.300°C) i niskowodorowych metod napawania.
Rys. 1. Wykres CTP-C dla typowej stali szynowej [2]
Fig. 1. TTT-C diagram for the standard raił Steel [2]
Rys. 2. Wykres CTP-I dla saliwa Hadfielda; 1,28%C, 12,4%Mn, Temperatura austenityzacji 1050°C
1 - węgliki na granicach ziam, 2 - węgliki na granicach ziam i płytki węglików w ziarnach, 3 - węgliki w strukturze sorbitycznej + austenit szczątkowy [2]
Fig. 2. TTT-C diagram for the Hadfield cast steel; 1.28%C, 12.4%Mn, austenitizing temperature 1050°C
1 - carbides on the grain boundary, 2 - carbides on the grain boundary andintragrain carbide plates, 3 - carbides in the sorbitic microstructure and retained austenite [2]
Napawanie części rozjazdów torów kolejowych 99
Napawanie krzyżownic odlewanych ze staliw austenitycznych przy mniejszych szybkościach chłodzenia prowadzi do powstania w SWC kruchości związanej z wydzieleniami się węglików na granicach austenitu. Zatem krzyżownice takie należy napawać przy możliwie małej ilości wprowadzonego ciepła, metodami niskoenergetycznymi.
Do napawania krzyżownic ze stali szynowej z reguły stosuje się stopiwa niskostopowe o strukturze bainityczno-martenzytycznej i twardości około 350 HV.
Przy napawaniu krzyżownic stopowych zaleca się wysokostopowe stopiwa C-Mn o składzie staliwa Hadfielda lub stopiwa C-Mn z dodatkową zawartością Cr ( ok. 15%).
W przypadku konieczności napawania krzyżownic ze stali szynowej stopiwem C-Mn typu Hadfielda zaleca się stosowanie warstwy pośredniej stopiwa austenitycznego Cr-Ni-Mn typu 18-8-6 [2],
W Instytucie Spawalnictwa prowadzone są prace mające na celu opracowanie drutów proszkowych niskostopowych do napawania krzyżownic ze stali szynowych i drutów wysokostopowych typu C-Mn-Cr do napawania krzyżownic ze staliwa Hadfielda.
2. C harakterystyka stopiw niskostopow ych
Do napawania stali szynowych zalecane są stopiwa niskostopowe o niskiej zawartości węgła ( C - poniżej 0,15% ) zawierające następujące grupy pierwiastków:
1. Mn-Mo, ( 0,7-2% Mn; o,6-3% Cr; 0,35-1,5% Mo), 2. Mn-Cr-Mo, ( 0,7-2% Mn; 0,6-3% Cr; 0,35-0,85% Mo), 3. Mn-Cr, (1,0 -2% Mn; 1,5-3% Cr)
Typowe stopiwa niskostopowe stosowane do napawania zużytych elementów torów kolejowych zestawiono w tablicy 1.
Stopiwa te posiadają strukturę bainityczno-martenzytyczną o twardościach zbliżonych do twardości szyn. W pracy [3] stwierdzono jednak, że struktury bainityczne i martenzytyczne nie są korzystne w przypadku zużycia kontaktowego w przeciwieństwie do struktury perlitycznej. Naciski Hertza typowe przy zużyciu kontaktowym struktur perlitycznych powodują odkształcenie się zarówno płytek cementytu, jak i ferrytu i efekt ten wzrasta wraz zę zmniejszeniem się odległości między płytkami cementytu i ferrytu. Zjawiska tego nie obserwuje się w przypadku zużycia napoin o strukturze bainityczno-martenzytycznej, które mają tendencję do tworzenia się mikropęknięć w warstwie kontaktowej [4],
W pracy [5] zestawiono stopiwa stosowane do napawania elementów transportu kolejowego.
Tablica 1 Typowe stopiwa niskostopowe do napawania rozjazdów
Typ stopiwa
Materiały dodatko
we
Skład chemiczny stopiwa, % Twar
dość HV
Firma kraj
C Mn Si Cr Mo Inne
Mn-Mo E 0,16
-0,22 1,9 -2 .1
0,25 -0,35
0,75 -0,85
330 -350
NRD [2]
E 0,06 1,5 0,35 0,35 350 ESAB
[6]
E 0,08 1,4 0,40 1,40 280
-300 PL EN280
DP 0,1 1,6 1,3
-1,5
250 -280
NL [21
DP 0,08
-0,12 1,8 -2,1
0,20 -0,25
0,80 -1,0
290 -330
RFN [2]
Mn-Cr- Mo
E 0,15
-0,30 1,60 -1,90
0,65 -0,95
0,45 - 0 , 7 0
360 SU
[5]
DP 0,15 2,0 1,55 0,35 330 RFN
[21
DP 0,15 1,1 0,5 1,0 0,55 Ni-2,3 350 ESAB
[6]
DP 0,11
-0,13
6,38 0,26 0,65 1,85 Ni-0,6 300 -350
SU [ 5 ]
Mn-Cr E 0,1 1,0 3,0 330
-350 SU [51
E 0,1 0,7 0,5 3,2 330 ESAB
L :: J .
.
DP 0,07 0,64 6,2 2,6 330 SU
[51
DP 0,15 1,6 0,8 3,5 Al-1,5 300 ESAB
[61
E - elektroda otulona, DP - drut proszkowy
3. C harakterystyka stopiw w ysokostopow ych
Stopiwa wysokostopowe wykorzystuje się do napawania odtworzeniowego zużytych krzyżownic ze staliwa Hadfielda i napawania utwardzającego w przypadku regeneracji krzyżownic ze stali szynowych. Stopiwa te należą do wysokowęglowych, manganowych stopiw austenitycznych produkowanych w dwóch grupach składu chemicznego:
1. C-Mn, (0,6-1,2%C; 11-14,5% Mn),
2. C-Mn-Cr, ( 0,6-l,2%C; 11-14% Mn, 14-28% Cr).
Typowe stopiwa wysokostopowe służące do napraw zużytych krzyżownic zestawiono w tablicy 2. Stopiwa te posiadają strukturę austenityczną o twardości ok.350HV,
Napawanie części rozjazdów torów kolejowych
101
które swoje własności eksploatacyjne uzyskuje po powierzchniowym umocnieniu odkształceniowym. W cienkiej warstwie odkształconej występuje struktura martenzytu s o twardości ok.600 HV i bardzo dużej odporności na zużycie kontaktowe w obecności obciążeń dynamicznych.
Tablica 2 Typowe stopiwa wysokostopowe do napawania rozjazdów
Typ stopiwa
Materiały dodatko
Skład chemiczny stopiwa, % Twar
dość
Firma kraj
we C Mn Si Cr Mo Inne HV
C-Mn E 0,7 13 0,6 1,1 600
P O
NL [21
E 0,9 12 0,4 420
-450 PL EN450 Mn
E 1,2 13 1,8 500
-600 P O
CS [2]
E 0,7 14 Ni-3,5 450 ESAB
[6]
DP 0,9 13 0,5 400
-450 SU L5J
DP 0,8 14,5 0,4 3,8 Ni-3,4 500
-600 P O
USA [2]
DP 0,6
-..i ] 12 -14
0,4 - 0 , 7
0,9 -1,2
450 NL
[5]
C-Mn E 0,5
-0,8 11 -14
0,8 22
-28,5
Ni-3 % 450 -600
SU
[ 5 1
DP 0,3 13,5 16 0,8 N i-1,7 550
P O
ESAB
¡ 6 1
DP 0,8 14,5 0,4 3,8 Ni-3,4 450
P O
USA I-i
PN 0,6
-079
9-12 0,8 15
-20 1,1 - V
Nb-3,4 320 SU
[51
P O - po odkształceniu, E - elektroda otulona DP - drut proszkowy, PN - proszek do napawania
Obecność Cr w strukturze prowadzi do wydzielania się stabilnych węglików typu C r2 3Có, które wiążąc węgiel w mniejszym stopniu zmniejszają plastyczność napoin, w porównaniu do węglików typu (FeMn^C. Stopiwa chromowo-niklowe z manganem (typu 18- 8-6) stosowane są do wykonywania warstw buforowych przy napawaniu utwardzającym krzyżownic ze stali szynowych.
Materiały dodatkowe do regeneracji elementów rozjazdów torów kolejowych produkowane są zwykle w postaci elektrod otulonych i drutów proszkowych samoosłonowych i do napawania MAG. Stosowanie drutów proszkowych pozwala na częściową mechanizację procesu napawania oraz na wyraźne skrócenie czasów napawania. Firma ESAB w swoich materiałach informacyjnych [5] zaleca do napawania krzyżownic ze stali niskostopowych warunki przedstawione na rys. 3, natomiast do napawania dziobnicy ze staliwa Hadfielda warunki podane na rys.4.
Parametry Skład chemiczny %
Metoda napawania, elektroda
I,A U,V C Mn Si Cr Ni Al
EO, <|> 5, OK- Selectrode 83.2
250 - 0,1 0,7 0,5 3,2 - -
DP, <|> 1,6, OK- Tubrodur 15.43
200 -230
29-31 0,15 1,1 Mo-0,5 1,0 2,3 1,4
Rys. 3. Sposób napawania krzyżownic stopiwem niskostopowym [6]
Fig. 3. Surfacing procedurę ofthe railway Crossing with the Iow alloyed electrodes [6]
W pracy [2] przy próbach napawania stali węglowej pozytywne wyniki uzyskano przy zastosowaniu warstwy pośredniej ze stopiwa 18-8-6 i następnym napawaniu drutami proszkowymi napoin: 0,93% C; 11,2% Mn; 0,5% Si i 2,2% Ni. Warstwa pośrednia bardzo plastyczna hamowała proces powstawania pęknięć w SWC.
4 . U w agi końcow e
Zastosowanie napawania regeneracyjnego do napraw zużytych rozjazdów torów kolejowych przynosi efekty techniczne i ekonomiczne. Napawanie umożliwia oszczędność ok.60% kosztów zastosowania nowych rozjazdów [6], Od strony technicznej napawanie
Napawanie części rozjazdów torów kolejowych 103
pozwala na kilkakrotne odtworzenie własności użytych rozjazdów, przy czym należy pamiętać, że krotność napawania jest ograniczona trwałością zmęczeniową napawanego rozjazdu [7].
Opracowywane w Lnstytutcie Spawalnictwa samoosłonowe druty proszkowe umożliwią przeprowadzenie napraw rozjazdów również w warunkach polowych. ze względu na metalurgiczny proces niskowodorowy i możliwość napawania przy różnych warunkach atmosferycznych.
Parametry Skład chemiczny %
Metoda napawania, elektroda
I,A U,V C Mn Ni Cr
EO, <(> 4, OK- Selectrode 86.28
180 - 0,75 14 3,5 -
DP, <(> 1,6 Ok- Tubrodur 15.65
200 -230
29-31 0,3 13,5 1,7 16
Rys. 4. Sposób napawania zwrotnic stopiwem wysokostopowym [6]
Fig. 4. Surfacing procedure of the switch with the high alloyed electrodes
L iteratura
1. Piec P.: Mechanizm powstawania zużycia falistego kół bocznych. Monografia 71. Pol.
Krakowska, Kraków 1988.
2. Blume F., Bauman O.: Pulverdrahte zum Auftragsschweissen an SchienenwerkstofFen.
Schweisstechnik 32 (1982) Nr 5, s. 196-198.
3. Perez-Unzueta A.J., Beynon I.H.: Microstructure and wear resistance of pearlitic rail steels. Wear (1993) s. 162-164, s. 173-182.
4. Adamiec P., Dziubiński J.: Degradations o f Hard Sulfaced layer under Cyclic Loadings.
7th Int Conf. on Mechanical Beharior of Materials 28.V-2.VI 1995, Hague, Holand.
5. Szljapin W.B., Berzin M.M.: Napławocznyje materiały primjenjajemye na żeleznodorożnom trasportje. Sworocznoje proizwodstwo N.3, 1991, s.21-23.
6. Dahl B , Mogard B., Gretoft A., Ulander U.: Repair of rails on-site by welding. ESAB GROUP, Goteborg, Sweden.
7. Adamiec P., Sitarz M., Witaszek M.: An analysis of possibilities of improving the wheelset durability. W: Mezinarodni V&lecka Konference , Ostrava, 12-17. 09. 1995, s.
141-147.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Edmund Tasak
Wpłynęło do Redakcji: 10.11.1995 r.
A bstract
The problem o f surfacing by welding of warn out parts of railway switches, and especially crossings, has been presented. A characteristic of low-and high alloyed consumables for surfacing of railway crossings has been given as well as an example of over-lay welding according to the firm Esab. Application of rebuilding for repair o f worn railway crossings results in technical and economical advantages
The weld repair of crossing makes it possible to save about 60% of the cost of installation a new one. Taking into account the technical aspect, it should be mentioned that weld surfacing enables to recover previous properties of crossings several times and the number of repairs of an individual component is limited by its fatigue life.
